Ярчайшие взрывы во Вселенной

Каждый раз, когда происходит всплеск гамма-излучения,  рождается черная дыра. Еще 10 лет назад никто не знал, чем вызваны гамма-всплески – вспышки излучения высокой энергии, наблюдаемые на небе. Сейчас астрономы считают их лебединой песней умирающих звезд. Черная дыра, возникающая при коллапсе гигантской звезды, частично засасывает ее остатки, но некоторое вещество выбрасывается наружу. При этом в ударных волнах рождается излучение.

Утром 23 января 1999 г. автоматический телескоп в Нью-Мексико зафиксировал в созвездии Северной Короны самый грандиозный взрыв, когда-либо замеченный человечеством. Вспышка была едва различима с расстояния в 9 млрд. световых лет (что составляет более половины размера наблюдаемой Вселенной). Если бы это произошло на расстоянии нескольких тысяч световых лет, то вспышка была бы яркой, как полуденное Солнце, а Земля получила бы такую дозу облучения, что на ней погибло бы все живое. Взрыв оказался из числа всплесков гамма-излучения, которые стали одной из наиболее захватывающих загадок астрономии: первый такой всплеск был обнаружен 2 июля 1967 г.

Выдающиеся открытия последних лет приблизили астрономов к разгадке тайны. До 1997 г. основные данные о гамма-всплесках были получены приборами BATSE (Burst and Transient Source Experiment – Эксперимент по вспыхивающим и временным источникам) на борту Обсерватории гаммаизлучения Комптона. Оказалось, что ежесуточно наблюдается два–три гамма-всплеска, каждый из которых ярче прочих небесных гамма-источников. Каждая вспышка уникальна, но их можно разделить на две категории: короткие – длящиеся менее двух секунд, и длинные – более продолжительные. Спектроскопически у первых более жесткое гамма-излучение, чем у вторых. Упомянутый выше гамма-всплеск 1999 года длился полторы минуты.

Эксперименты  BATSE показали, что вспышки распределены изотропно, т.е. равномерно рассеяны по небу. Этот факт опроверг широко распространенное мнение, что источники гаммавсплесков находятся в нашей Галактике. Они рассеяны во всей Вселенной, иначе форма Галактики и положение Земли (в стороне от ее центра) вызвали бы концентрацию вспышек в определенных областях неба. К сожалению, исследования гамма-излучения не позволяют до конца прояснить вопрос. Попытки зарегистрировать  гамма-всплески в других диапазонах излучения (например, в оптическом можно выявить галактики, в которых происходят вспышки, а значит, измерить расстояние до них) не увенчались успехом.

Стремительный прорыв

Запущенный в 1996 г. рентгеновский спутник BeppoSAX был создан космическими агентствами Италии и Нидерландов. Он позволил значительно расширить  исследования и точно определить положение гамма-всплесков, обнаружить их рентгеновское послесвечение (Послесвечение – afterglow – иногда переводится как «ореол».),  появляющееся после исчезновения гамма-сигнала и продолжающееся от нескольких дней до нескольких месяцев. Со временем оно ослабевает и смещается из рентгеновского диапазона в менее жесткий – оптический, а затем ив  радиодиапазон. Рентгеновский спутник зафиксировал послесвечение только у длинных вспышек, у коротких оно пока не обнаружено. Используя данные спутника о положении вспышек, оптические и радиотелескопы выявили те области Вселенной, в которых произошли взрывы. Почти все галактики удалены на миллиарды световых лет, значит, вспышки были невероятно мощными. Очевидно, что экстремальные выбросы энергии порождаются экстраординарными причинами, поэтому исследователи начали связывать гамма-всплески с самыми необычными среди известных объектов – с черными дырами.

ОЧЕНЬ ТЕПЛЫЕ ВОСПОМИНАНИЯ

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ. 28 февраля 1997 г., спустя 8 часов после гамма-всплеска, астрономы – включая одного из авторов (Пиро) – с помощью спутника BeppoSAX впервые зафиксировали рентгеновское послесвечение. На втором изображении, полученном через несколько дней, рентгеновский источник ослаб в 20 раз.

ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ. Столь же быстрая реакция астрономов на острове Пальма (Канарские о-ва) позволила заметить послесвечение того же гамма-всплеска в видимом диапазоне. Через неделю, когда яркость источника ослабла в 6 раз, стала заметна окружающая его галактика.

Среди первых гамма-всплесков, идентифицированных BeppoSAX, был GRB970508, открытый 8 мая 1997 г. Первые три недели яркость источника хаотически менялась, затем стабилизировалась и начала монотонно ослабевать. Резкие колебания, вероятно, были связаны не с самим источником вспышки, а с распространением излучения. Подобно тому как земная атмосфера вызывает видимые мерцания звезд, межзвездная плазма заставляет мигать радиоисточники. Планеты не мерцают, ибо расположены  близко  и выглядят дисками. Если GRB970508 сначала мигал в радиодиапазоне, а затем перестал, значит, он «вырос» из точечного источника до различимого диска. Чтобы приобрести  «размер в несколько световых недель», источник должен расширяться очень быстро – почти со скоростью света.

Данные  BeppoSAX и последующие наблюдения изменили точку зрения астрономов на гамма-всплески. Была отброшена концепция о внезапном выделении энергии в течение нескольких секунд. Даже термин «послесвечение» сейчас признается неуместным: энергия высвечивается на обоих этапах в сопоставимых количествах. Спектр послесвечения характерен для электронов, движущихся в магнитном поле почти со скоростью света.

Январский всплеск 1999 года (GRB990123) был невероятно мощным. Если при вспышке энергия излучалась во все стороны одинаково, то светимость источника достигала нескольких единиц на $10^{45}$Вт, т.е. он был в $10^{19}$ раз мощнее Солнца! Хотя в другом хорошо известном типе космической катастрофы – вспышке сверхновой – в целом выделяется приблизительно такая же энергия, которая в основном уходит в виде нейтрино, а оставшаяся часть высвечивается более медленно, чем при гамма-всплеске. Поэтому светимость сверхновой на любом этапе значительно ниже, чем у гамма-всплеска. Даже яркие квазары выделяют «всего» около $10^{40}$ Вт.

Но если при вспышке энергия концентрируется в направлении наблюдателя, то оценку светимости можно снизить. Наблюдения послесвечений GRB990123 и некоторых других дали указания на такую фокусировку. Через два дня после вспышки темп падения яркости неожиданно возрастал, что и должно было происходить, если наблюдаемое излучение посылалось тонкой струей вещества, летящего почти со скоростью света. В результате релятивистского эффекта наблюдатель видит все большую и большую часть струи по мере ее замедления. В определенный момент он видит уже всю струю, поэтому в дальнейшем яркость падает значительно быстрее (см. рис слева). Для  GRB990123 угол раскрытия струи составил несколько градусов. Значит, мы можем наблюдать вспышку, только если она направлена вдоль нашего луча зрения. Эффект фокусировки уменьшает оценку излученной энергии примерно пропорционально квадрату угла струи. Например, при угле раскрытия в 10 градусов она покрывает около 1/500 части неба, поэтому оценка энергии  уменьшается в 500 раз; при этом из 500 вспышек мы не заметим 499. Но даже с учетом эффекта фокусировки светимость  GRB990123 составляет $10^{43}$ Вт!

Связь гамма-всплесков и сверхновых

Одним из наиболее интересных открытий стала связь между гамма-всплесками и сверхновыми. Ученые, наблюдавшие вспышку GRB980425, заметили взорвавшуюся сверхновую, обозначенную как  SN1998bw. Вероятность случайного совпадения – 1:10000.

УГАСАНИЕ

Ярчайший из отмеченных до сих пор гамма-всплесков был 23 января 1999 г. Телескопы проследили за ним в гамма-лучах (на графике – голубой), рентгеновских (зеленый), оптических (оранжевый) и радиолучах (красный). В некоторый момент скорость угасания резко изменилась, указывая на то, что излучение рождается в узких струях быстро летящего вещества. Примерно через две недели после вспышки, когда оптическая яркость ослабла в 4 млн. раз, космический телескоп «Хаббл» сделал фото, изображающее несколько искаженную Галактику. Именно здесь интенсивно формируются звезды. Если вспышки вызваны взрывами молодых звезд, то для них это подходящее место.

Взаимосвязь явлений подтверждается и присутствием линий железа в рентгеновских спектрах некоторых вспышек. Как известно, атомы железа образуются и выбрасываются в межзвездное пространство при взрывах сверхновых. Если атомы лишаются своих электронов, а затем вновь их захватывают, они излучают свет определенных длин волн, называемый спектральными линиями. Впервые такие линии заметили BeppoSAX и японский рентгеновский спутник  ASCA в 1997 г., а позже их измерили другие обсерватории. Так, рентгеновская обсерватория  Сhandra (NASA) зафиксировала линии железа во вспышке GRB991216, что позволило измерить расстояние до нее. Оно совпало с оценкой расстояния до галактики, в которой произошел взрыв.

Дальнейшие наблюдения подтвердили связь гамма-всплесков со сверхновыми. В газовой оболочке, окружающей вспышку  GRB011211, многозеркальный рентгеновский спутник Европейского космического агентства обнаружил линии излучения кремния, серы, аргона и других элементов, обычно выбрасываемых сверхновыми.

Появляется все больше аргументов в пользу того, что один и тот же объект может породить оба явления. Однако в наблюдаемой части Вселенной ежедневно вспыхивают сотни тысяч сверхновых, но возникает лишь пара гамма-всплесков. По одной из версий, при взрывах сверхновых выбрасываются струи вещества, вызывающие гамма-всплески. Причем в большинстве случаев астрономы видят либо одно, либо другое. Если струя направлена на Землю, то в ярком блеске вспышки не заметен свет сверхновой; если же струя направлена в иную сторону, то увидеть можно только сверхновую. Но если струя лишь немного отклонилась от нашего луча зрения – наблюдаются оба явления. Именно такая ситуация сложилась с GRB980425.

ОБЗОР: ГАММА-ВСПЛЕСКИ

  • В течение трех десятилетий исследование гамма-всплесков продвигалось крайне медленно: астрономы не понимали природу космического «фейерверка».
  • Спустя пять лет стало понятно, что вспышки связаны с «родовыми муками» при появлении на свет черных дыр. Большинство из них возникает при коллапсе массивных звезд, демонстрирующих при этом вспышку излучения, заметную с расстояния в миллиарды световых лет.
  • Разрабатывается теория, способная объяснить невероятное разнообразие вспышек.

По другой гипотезе, с рождением сверхновых связан определенный тип гамма-всплесков. Из зафиксированных BATSE всплесков 90 выделили в особый класс, для которого характерны малая яркость и большая спектральная задержка, означающая, что высоко- и низкоэнергичные гамма-импульсы приходят с разницей в несколько секунд, и никто не знает, почему эти импульсы не синхронизованы. Но какой бы ни была причина, эти странные гамма-всплески происходят с той же частотой, что и сверхновые типа Ib/c, возникающие при коллапсе ядра массивной звезды.

Гигантские огненные шары

Даже если не задумываться об источнике энергии гамма-всплесков, парадоксальной кажется их невероятная яркость. Быстрые вариации блеска указывают, что излучение рождается в небольшой области: светимость в1019 солнечных выходит из области объемом в одно Солнце! При этом фотоны так плотно упакованы, что мешают друг другу вырываться наружу. Это напоминает людей в толпе, рвущихся в панике к выходу и мешающих друг другу выйти. Но если гамма-лучи не способны вырваться наружу, то как мы видим гамма-всплески?

Решение задачи заключается в том, что гамма-кванты сразу не излучаются. Вначале выделившаяся при взрыве энергия сохраняется в виде кинетической энергии расширяющейся оболочки (огненного шара), которая содержит фотоны, электроны и их античастицы – позитроны. Когда диаметр шара достигает 10–100 млрд. км, плотность фотонов падает настолько, что гамма-кванты уже могут вырваться наружу. Часть кинетической энергии преобразуется в электромагнитное излучение, происходит гамма-всплеск.

Судя по всему, исходное гамма-излучение рождается внутренними ударными волнами, возникающими, когда более быстрые части расширяющегося вещества сталкиваются с более медленными. Поскольку оболочка разрастается почти со скоростью света, временная шкала для внешнего наблюдателя, согласно теории относительности,  сильно сжата: он видит вспышку продолжительностью всего в несколько секунд. Продолжая расширяться, огненный шар выметает окружающий газ. При этом на границе со сжатым внешним веществом формируется новая ударная волна, и она сохраняется, когда шар замедляет расширение. Этой волной объясняется послесвечение гамма-всплеска и перемещение максимума излучения из гамма-диапазона в рентгеновский, затем в видимый и, наконец, в радиодиапазон.

ВСПЫШКА

Хотя огненный шар может преобразовать энергию взрыва в наблюдаемое излучение, что же служит источником этой энергии? Вопрос еще предстоит решить. В одних моделях изучаются гиперновые, или коллапсары, возникающие из звезд с исходной массой более 20 или 30 масс Солнца. Ядро такой звезды в определенный момент коллапсирует, в результате чего образуется быстро вращающаяся черная дыра, окруженная диском из остатков вещества.

В других моделях рассматриваются двойные системы, состоящие из компактных объектов, например пара нейтронных звезд (представляющих сверхплотные остатки нормальных звезд) или нейтронная звезда в паре с черной дырой. Вращаясь друг вокруг друга, два объекта постепенно сближаются и сливаются (Впервые детальный сценарий слияния пары нейтронных звезд, приводящий к сильной вспышке излучения, рассмотрели в 1984 г. московские астрофизики С.И. Блинников, И.Д. Новиков, Т.В. Переводчикова и А.Г. Полнарев.) Как и в случае с гиперновой, образуется одиночная черная дыра, окруженная диском.

Комбинация черной дыры и диска встречается во многих астрономических объектах. Особенность данной системы в необычно большой массе диска и в отсутствии звезды-компаньона, способной восполнять диск (из чего следует, что вся энергия выделяется в единственном «выстреле»). Черная дыра и диск – два гигантских резервуара энергии: гравитационная энергия диска и энергия вращения дыры. Но пока не совсем понятно, как именно эта энергия превращается в гамма-излучение. Возможно, при формировании диска генерируется магнитное поле, которое в $10^{15}$ раз сильнее магнитного поля Земли. В результате диск разогревается до столь высокой температуры, что образуется огненный шар из плазмы и гамма-лучей, который разлетается в виде двух тонких струй вдоль оси вращения диска.

Поскольку излучение гамма-всплеска одинаково хорошо объясняется как гиперновой, так и слиянием компактных объектов, требуются дополнительные характеристики вспышки, чтобы выбрать между двумя сценариями. Например, отождествление гамма-всплесков со сверхновыми говорит в пользу гиперновых, которые просто очень мощные сверхновые. Кроме того, гамма-всплески обычно наблюдаются именно там, где должны взрываться гиперновые, а именно в тех областях галактик, где протекает звездообразование. Массивные звезды взрываются вскоре (спустя несколько миллионов лет) после формирования, поэтому они умирают недалеко от места своего рождения. А вот для слияния компактных звезд требуется значительно большее время (миллиарды лет), за которое они разбредаются по всей Галактике. Если компактные объекты – причина гамма-всплесков, то они бы не наблюдались преимущественно в областях звездообразования.

Судя по всему, гиперновые объясняют большинство гамма-всплесков; но на столь огромном полотне останется место и для слияния компактных звезд. Более того, разрабатываются альтернативные модели. В одном из сценариев огненный шар образуется при выделении энергии из электрически заряженной черной дыры: как первая вспышка, так и послесвечение, происходит оттого, что огненный шар сгребает окружающее вещество. Астрономы до сих пор не знают точно причины этих взрывов, не изучены и типы вспышек.

Взрывы из прошлого

До сих пор плохо исследованы темные, или «призрачные», гамма-всплески. Из 30 всплесков, изученных в диапазонах, отличных от гамма-лучей, 90% были видны в рентгеновских лучах. Однако в оптическом диапазоне были замечены только 50%.

СУДЬБА МАССИВНОЙ ЗВЕЗДЫ

Большую часть своей жизни звезды находятся в относительно спокойном состоянии, на главной последовательности, когда в их центральных областях под действием термоядерного синтеза водород превращается в гелий. На этой стадии эволюции находится и наше Солнце. Согласно теории строения звезд, более массивные, чем Солнце, светятся ярче и быстрее сгорают. Звезда, в 20 раз массивнее Солнца, сгорает в тысячу раз быстрее.

Когда водород в ядре звезды заканчивается, оно сжимается, нагревается, и начинается слияние более тяжелых элементов: гелия, кислорода, углерода. Постепенно звезда превращается в красный гигант или в сверхгигант. Если начальная масса звезды в 8 и более раз превышает солнечную, в ее недрах смешиваются более тяжелые элементы вплоть до образования железа. Но при слиянии ядер последнего уже не выделяется энергия; напротив, для этого требуются дополнительные затраты. Поэтому звезда вдруг оказывается «без топлива».

В результате начинается коллапс звезды. Ее ядро сжимается в нейтронную звезду – шар радиусом всего в10 км, но с массой, как минимум на 40% превышающей массу Солнца. Оставшееся вещество звезды выбрасывается в пространство в виде мощного взрыва сверхновой.

Для массы нейтронной звезды существует предел – от 2 до 3 масс Солнца. Если она оказывается больше, то возможен ее дальнейший коллапс в черную дыру. Этот рубеж может быть перейден, если достаточно вещества упадет на поверхность нейтронной звезды. Но черная дыра может и непосредственно сформироваться в ходе коллапса. Звезды с начальной массой более 20 масс Солнца могут в конце жизни порождать черные дыры. Именно этот процесс естественным образом объясняет гамма-всплески.

Возможно, вспышки возникают в областях звездообразования, заполненных пылью, способной поглотить видимый свет, но не рентгеновские лучи. Может быть, «призраки» – это  гамма-всплески, происходящие чрезвычайно далеко от нас. Поэтому те лучи, которые мы воспринимаем как свет, должны исходить из района вспышки как ультрафиолетовое излучение, а значит, они могут поглощаться межгалактическим газом. Критическим тестом для проверки этой гипотезы станет измерение расстояний по рентгеновским спектрам. Третье предположение: «призраки» по природе очень слабы в оптике. Пока больше доказательств в пользу пылевой гипотезы. Высокочувствительные оптические и радионаблюдения позволили отождествить вероятные галактики-хозяйки для двух темных гамма-всплесков, и обе они находятся на сравнительно небольшом расстоянии от нас.

Не меньший интерес представляют «гамма-всплески, яркие в рентгеновских лучах», или просто «рентгеновские вспышки». Открытые  BeppoSAX и подтвержденные повторным анализом данных BATSE, они оказались характерными для 20–30% гамма-всплесков. Рентгеновские вспышки дают больше излучения в рентгеновском, чем в гамма-диапазоне; а некоторые из них вообще не проявляются в гамма-лучах.

Возможно, причина в том, что расширяющиеся оболочка «загрязнена» большим количеством барионного вещества, например протонами. Эти частицы увеличивают инерцию огненного шара, отчего он движется медленнее, и поэтому неэффективно преобразует фотоны в гамма-кванты. Существует и вероятность того, что рентгеновские вспышки могут приходить из очень удаленных галактик – даже более далеких, чем те, которые предлагаются для объяснения «призрачных» гамма-всплесков. Космологическое расширение способно сдвинуть гамма-лучи в рентгеновский диапазон, а космологический газ мог бы поглотить оптическое послесвечение. В самом деле ни одна из рентгеновских вспышек не была зарегистрирована в оптике, что согласуется с упомянутым сценарием. Если «призрачные» гамма-всплески или «гамма-всплески, яркие в рентгеновских лучах» действительно происходят в предельно удаленных галактиках, они могут «осветить» нам ту эру космической истории, которая до сих пор оставалась совершенно недоступной.

Тип (подтип) вспышки Доля от всех вспышек Характерная длительность первичной вспышки Гамма-лучи в первичной вспышке свечении Рентгеновские лучи в послесвечении Оптические лучи в послесвечении Гипотетический центральный «генератор» Объяснение необычных свойств
Длинная (нормальная) 25% 20сек. + + + Взрыв массивной звезды Необычных свойств нет
Длинная (темная, или «призрачная») 30% 20сек. + + - Взрыв массивной звезды Чрезвычайно удаленный, запыленный или действительно слабо излучающий в оптике
Длинная
(рентгеновская)
25% 30сек. - + - Взрыв массивной звезды Чрезвычайно удаленный или перенасыщенный барионами
Короткая 20% 0,3сек + ? ? Слияние пары компактных объектов Происходит не в области звездообразования, поэтому окружающий газ менее плотен и внешняя ударная волна слабее

ОБ АВТОРАХ: Нейл Герелс (Neil Gehrels),  Луиджи Пиро (Luigi Piro) и  Питер Леонард (Peter  J. T. Leonard) изучают гамма-всплески теоретически и путем наблюдений. Герелс и Пиро в основном наблюдатели – ведущие ученые Обсерватории гамма-излучений Комптона и спутника BeppoSAX. Леонард – теоретик. Герелс возглавляет отдел космических лучей, гамма-лучей и гравитационно-волновой астрофизики в Лаборатории астрофизики высоких энергий Годдардовского центра космических полетов (NASA). Пиро работает в Институте внеатмосферной астрофизики и космической физики Центра ядерных исследований в Риме. Леонард от Корпорации прикладных научных систем обеспечивает космические эксперименты Годдардовского центра.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА: The Biggest Bangs.The Mystery of Gamma-Ray Bursts. The Most Violent Explosions in the Universt. Jonathan I. Katz. Oxford University Press, 2002. Flash! The Hunt for the Biggest Explosions in the Universe. Govert Schilling. Cambridge University Press, 2002. 

15 Июня 2011, 9:33    Oleg    6750    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.